1.5.6 Гетерогенное зарождение кристаллов

На практике в расплаве металла всегда находятся примеси. Если поверхности этих примесей смачиваются расплавом, то образование зародышей на них требует меньших затрат энергии. Примеси в этом случае играют роль центров кристаллизации. В связи с этим краевой угол между подложкой и находящимся на ней зародышем твердой фазы имеет важное теоретическое значение, хотя это и не может быть широко использовано на практике. Если краевой угол К мал, как это показано на рисунке 1.13, то поверхностная энергия границы раздела между подложкой и твердой фазой также мала. В этом случае из атомов жидкого металла легко образуются зародыши твердой фазы на поверхности подложки.

Рисунок 1.13 – Краевой угол между подложкой и твердой фазой

В случае, если К=180^о, подложка не оказывает существенного влияния на процесс зарождения, так как межфазная энергия на границе подложки и твердой фазы оказывается значительной. Эффективность любой частицы как катализатора зарождения зависит от краевого угла, который в свою очередь определяется близостью структур кристаллических решеток подложки и твердой фазы, а также химической природой поверхности подложки. Если краевой угол мал, то кристаллизация происходит при незначительном переохлаждении, если же краевой угол велик, то необходимо большее переохлаждение. Большинство применяемых в промышленности металлов содержит достаточно большое количество нерастворимых примесей, и зарождение кристаллов в расплавах этих металлов происходит при переохлаждении от 1 ^оС до 10 ^оС. Если количество имеющихся в жидком металле нерастворимых примесей недостаточно для эффективного развития процессов гетерогенного зарождения, в расплав могут быть введены так называемые катализаторы зарождения.

1.5.7 Необходимость управления процессом кристаллизации

Металл, в котором имело место активное гетерогенное зарождение кристаллов, имеет преимущества перед металлом, в котором этого не происходило. В отсутствии катализаторов зарождения, образование зародышей будет иметь место в результате действия инородных частиц, уже имеющихся в расплаве, когда переохлаждение будет достаточным для их действия. Количество возникших зародышей твердой фазы определяет конечную структуру и, таким образом, свойства затвердевшего металла. Каждое зерно или кристалл растет из одного зародыша, и поэтому число зародышей, возникающих в расплаве, определяет размеры образовавшегося при кристаллизации зерна.

Для достижения высоких механических и, в частности, прочностных свойств желательно получение мелкозернистой структуры, а для этого необходимо, чтобы в расплаве возникло как можно большее число центров кристаллизации, а скорость охлаждения должна быть подобрана таким образом, чтобы возникшие центры кристаллизации имели возможность расти. Скорость охлаждения играет существенную роль в процессах зарождения, так как образование центров кристаллизации происходит не одновременно во всем расплаве из-за того, что не вся жидкость находится при одной и той же температуре, или потому, что не все центры кристаллизации образуются при одной и той же степени переохлаждения. Первые образовавшиеся кристаллы будут расти до тех пор, пока не встретятся с другими. Если время между возникновением центров кристаллизации достаточно велико, то кристаллы вырастают большими, и при своем росте могут захватить некоторое количество частиц, которые могли бы стать центрами кристаллизации. При большой скорости охлаждения значительное количество имеющихся в расплаве частиц может стать центрами кристаллизации до того, как они будут захвачены растущими кристаллами.

Наиболее распространенными методами влияния на структуру литого металла являются подбор оптимальной скорости охлаждения и введение в расплав катализаторов зарождения, для чего в последнее время применяется вибрация. Вибрирование отливки во время кристаллизации приводит к образованию мелкозернистой структуры, так как вибрация вызывает увеличение количества центров кристаллизации за счет разламывания растущих кристаллов или повышения каталитической способности имеющихся в расплаве частиц.

Тесты для самоконтроля